Anordnung zur Messung von radioaktiver bzw. elektromagnetischer Strahlung
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Strahlungsmessung.
Derartige Geräte bestehen im allgemeinen aus einer Stromversorgungseinrichtung, die einem Strahlungsdetektor Energie liefert, und einer Anzeigevorrichtung.
Es sind inzwischen zahlreiche Ausführungsformen bekanntgeworden, die es gestatten, mehr oder weniger eng begrenzte Messaufgaben auf dem Gebiet der Kernstrahlungsmesstechnik zu lösen. Alle diese zur Zeit bekanntgewordenen Lösungen genügen aber nicht oder nur unvollständig einer Aufgabenstellung, wie sie z. B. für Zwecke des zivilen Luftschutzes oder des Bevölkerungsschutzes erwachsen und in von behördlicher Seite herausgegebenen Richtlinien festgelegt sind.
Es soll nun eine Anordnung geschaffen werden, die sich besonders wirtschaftlich herstellen und mit hoher Genauigkeit fertigen und abgleichen lässt, wodurch sie wesentlich billiger als selbst Geräte, die nur Teillösungen darstellen, hergestellt werden kann.
Die Erfindung betrifft demnach eine Anordnung zur Messung von radioaktiver bzw. elektromagnetischer Strahlung, mit impulslieferndem Detektor, dessen Impulse in den einzelnen Messbereichen in ihrer Dauer gedehnt und mit jeweils verschiedener Zeitkonstante integriert werden, wobei die Energieversorgung des Detektors mittels eines Spannungswand- lers erfolgt, der wahlweise mit niedriger oder höherer Leistungsabgabe für sekundären Gleichspannungsbetrieb, aber auch für sekundären Impulsspannungsbetrieb ausgelegt sind, wobei ferner einem jeden Messbereich durch mechanische Mittel eine eigene Anzeigeskala zugeordnet ist.
Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Messbereich die um- bzw. einschaltbaren Schaltungsmittel so ausgewählt bzw. angeordnet sind, dass a) in den Messbereichen mit niedrigen vom Detektor D, So gelieferten Impulszahlen (Impulsdichte) diese in der Impulsdauer gedehnt, mit entspechend grosser Zeitkonstante integriert und auf jeweils einem Bereich zugehöriger eigener Skala A zur Anzeige gebracht werden, wobei gleichzeitig die Leistungsaufnahme des Spannungswandlers V, W auf das zum Betrieb des Detektors D, So notwendige Mindestmass herabgesetzt ist, und b) in den Bereichen mit höherer Impulszahl (Impulsdichte) die Einzelimpulsbreite sowie die Integrationszeitkonstante entsprechend verkleinert und gleichzeitig die Leistungsaufnahme des Spannungswandlers V, W entsprechend heraufgesetzt wird.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemässen Anordnung, die eine wesentliche Ausdehnung des Anwendungsbereiches für höchste Dosisleistungen zulässt, ist dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereichen, in denen die durch die natürlichen oder technischen Eigenschaften des Detektors begrenzte abgebbare Impulszahl ihr Maximum überschreitet, dieser durch den auf Impulsbetrieb geschalteten Spannungswandler regelmässig intermittierend detektionsbereit gehalten wird, wobei die vom Detektor abgegebenen Impulse normiert, integriert und zur Anzeige gebracht werden. Das kann z. B. durch Überlagern der Arbeitsgleichspannung des Detektors mit einer Impulsfolge oder aber durch Impulsbetrieb des Detektors geschehen.
Wird hierbei die Impulsfolgefrequenz ungefähr gleich der reziproken natürlichen Totzeit des Detektors gemacht und die Breite eines Hochspannungsimpulses kleiner als die Breite des Detektorimpulses, wie er sich bei niedrigem Strahlungspegel ergibt, so ergibt sich neben einer Bereichsdehnung um einen Faktor 10 bis 200 noch ein weiterer sehr erwünschter Effekt: Ein Zurückgehen der Anzeige wegen abnehmender angezeigter Impulszahl bei steigendem Strahlungspegel kann nicht mehr erfolgen. Bei zweckmässiger, dem Detektor nachfolgender Schaltungsanordnung ist nämlich die maximale angezeigte mittlere Impulsfolgefrequenz diejenige des Hochspannungsgenerators.
Verschiedene Ausführungsformen des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Fig. 1 stellt das Blockschaltbild einer ersten Anordnung dar.
Die Fig. 2 stellt das Blockschaltbild und Fig. 3 das Schaltschema einer weiteren Ausgestaltung der Anordnung dar.
Die von der Strahlungsquelle Sr ausgehende Kernstrahlung, die a-, fl-, y-Strahlung enthält, trifft auf die Filteranordnung F. Diese enthält z. B. vor oder hinter einer Öffnung des Gerätegehäuses, die zweckmässig durch eine 10 bis 20 z starke Kunst- stoffolie, z. B. aus Hostaphan, gegen Eindringen von Feuchtigkeit in das Innere des Gehäuses abgedichtet ist, Filterscheiben aus Zellon, Aluminium, Kupfer oder ähnlichem. Diese Filterscheiben können besonders vorteilhaft mechanisch mit dem Bereichsumschalter gekoppelt sein. Sie können aber auch durch eine zusätzliche mechanische Anordnung betätigt werden, z. B. kann durch Vorschalten eines Zellon Filters die a-Strahlung absorbiert werden, so dass nur f und y-Strahlung den Detektor trifft usw.
Ferner kann in geeigneter Weise vor oder nach den Filtern ein ähnlich wie ein Filter ausgebildeter Eichpräparatträger vor das Detektorfenster geschaltet werden, der zur Kalibrierung des Detektors oder auch nur als Funktionskontrolle eine geringe Menge z. B. 1 C eines radioaktiven yS-Strahlers z. B. Sr90 enthält.
Als Detektor D wird vorzugsweise ein im Auslösebereich arbeitendes Fensterzährohr - möglichst mit Halogenfüllung - benutzt. Für bestimmte Aufgaben lassen sich aber auch vorteilhaft andere impulsgebende Strahlungsdetektoren benutzen, z. B.
Scintillatoren in Verbindung mit Sekundärelektronenvervielfachern. Die Detektorimpulse passieren anschliessend eine Verstärkungs und Formerstufe N, die vorzugsweise aus einem monostabilen Multivibrator besteht, dessen Impulsbreite, dem Messbereich entsprechend, mit dem Bereichsschalter umgeschaltet wird. Es können aber auch andere verstärkende Impulsformer benutzt werden, z. B. monostabile Sperrschwinger. Der normierte und gedehnte Impuls wird nach Integration und Festlegung der maximalen mittleren Impulsfolgefrequenz für jeden Bereich in A durch ein Drehspulinstrument zur Anzeige gebracht.
Hierbei ist jedoch für jeden Bereich eine besondere Anzeigeskala vorgesehen, die mit dem Bereichsschalter gekoppelt ist. Die einzelnen Anzeigeskalen können nach Art der Trommel-, Band- oder Schiebeskalen zusammengefasst sein.
Die Stromversorgung V mit dem Spannungswandler hat z. B., als Sperrschwinger ausgeführt, folgende Funktionsmöglichkeiten, die durch Zu- oder Abschalten von funktionsbestimmenden Bauelemen- ten bewirkt wird, wobei der Schaltvorgang mit dem Bereichsschalter gekoppelt ist: In den Messbereichen mit sehr niedrigem Strahlungspegel schwingt der Sperrschwinger mit einer sehr niedrigen Impulsfolgefrequenz, z. B. 0,1 bis 10 Hz und lädt einen Ladekondensator von z. B. 5 nF auf die Impulsspitzenspannung von z. B. 500 V auf.
Die im Ladekondensator gespeicherte Energie gestattet dem Detektor im skizzierten Fall eine mittlere Zählfolge von 100 Impulsen!sec, von denen bei einer angenommenen fünffachen Bereichsüberlastbarkeit bis zum Zurückgehen der Anzeige nur 20 Impulselsec benötigt werden, um Vollausschlag des Anzeigeinstrumentes zu erhalten. Bei dieser Arbeitsweise hat der Spannungs wandler nur einen sehr geringen Stromverbrauch etwa lmA. Entsprechend ist der Spannungswandler auch in den Bereichen, die einen Vollausschlag des Anzeigeinstrumentes bei z. B. 200 Impulseni'sec und 2000 Impulsenlsec haben, ausgelegt. Dieses kann durch z. B. stufenweise Erhöhung der Sperrschwingerfrequenz geschehen.
Es kann aber auch kontinuierich mit Hilfe der vom Detektor verbrauchten und auf den Sperrschwinger rückgekoppelten Impulse, proportional der verbrauchten Energie, erfolgen. Da in dem skizzierten Fall die Sättigung des Zählrohres, dessen Totzeit bei 100 usec liege, bei etwa 2500 Impulsen sec einsetzt, was einer Dosisleistung von etwa 0,1 r;'h entspricht, wird in dem nun fogenden Messbereich die Impulsfolgefrequenz des Sperrschwingers auf etwa 10 kHz erhöht. Gleichzeitig wird der Energieversorgungskondensator auf etwa 20 pF verkleinert, so dass das Zählrohr nur noch während der Dauer eines Sperrschwingereinzelimpulses (etwa 15 exIsec) betriebsbereit ist.
Hierdurch hat sich der Messbereich auf 50 rjh erhöht, welcher Wert etwa 9 kHz mittlerer Impulsfolgefrequenz bei der Anzeige entspricht.
Das funktionsmässige Zusammenwirken aller Eigenschaften der Anordnung wird durch die gekoppelte Umschaltung K1 aller funktionsbestimmenden Bauelemente für alle Messbereiche bewirkt.
Im Blockschaltbild Fig. 2 und dem zugehörigen Schaltbild nach Fig. 3 ist eine welitere Variante der Anordnung dargestellt. Da im Schaltbild die dem Fachmann geläufigen Schaltsymbole verwendet sind, kann auf eine nähere Beschreibung derjenigen Schaltungsteile verzichtet werden, die dem Fachmann bekannt sind.
Gegenüber Fig. 1 zeigen Fig. 2 und 3 noch einen weiteren Detektor, der als Sonde ausgebildet ist.
Er kann vorzugsweise seine Energie aus dem Versorgungsteil des nun als Grundgerät bezeichneten Teils erhalten, der der Fig. 1 entspricht. Desgleichen erfolgt die Weiterverarbeitung der von der Sonde abgegebenen Impulse im Grundgerät. Die Anzeige des Messergebnisses der Sonde erfolgt ebenfalls über das Messwerk des Grundgerätes. Hierzu sind vor zugsweise die einzelnen Skalenabschnitte der Umschaltskala, die unter dem Skalenfenster erscheinen, als Doppelskala, den verschiedenen Kalibrierungen des Grundgerätes und der Sonde entsprechend, ausgebildet und im allgemeinen verschieden beziffert und z. B. verschiedenfarbig ausgelegt. Hierbei ist ferner vorzugsweise eine Skalenabdeckung vorgesehen, die durch die Umschaltung K2 betätigt wird und, gekoppelt mit der Umschaltung Grundgerät Sonde, nur die jeweils dem eingeschalteten Detektor entsprechende Skala freigibt.
Eine Anordnung nach Fig. 2 lässt wesentliche und vielseitige Erweiterungsmöglichkeiten des Anwendungsbereiches erkennen, z. B. durch Benutzung von mehreren, parallel geschalteten Detektoren als Sonde. Ferner sieht eine weitere Ausgestaltung eine Kombination der mit K1 und K., bezeichneten Kopplung vor, die durch bekannte mechanische Mittel erzielt wird und eine weitere Bedienungsvereinfachung ergibt. Besonders vorteilhaft kann auch für die mit K.2 bezeichnete Umschaltung ein Relais herangezogen werden.
Werden für die Umschaltung K2 drei oder mehrere Schaltstellungen vorgesehen, vor allem bei etwas grösseren transportablen Geräten, und für jeden Skalenabschnitt der Anzahl der Schaltstellungen K2 entsprechende Skalen benutzt, so ergeben sich weitere vorteilhafte Möglichkeiten.
Für 3 stellt das Schaltschema eines ausgeführten Gerätes dar. Die Schaltsegmente 9, 21, 31, 41, 50 sind mit der Umschaltskala des Anzeigeinstrumentes 33 antriebsmässig gekoppelt und werden durch einen Bedienungsknopf so betätigt, dass bei Ruhestellung (Batterie ausgeschaltet) nm Anzeigefenster eine unbezifferte Skala mit der Beschriftung Aus erscheint.
In dieser Stellung kann gleichzeitig der mechanische Nullpunkt des Instrumentes 33 justiert werden. Beim folgenden Schaltschritt des Bereichsschalters erscheint unter dem Anzeigefenster eine Skala mit einer Justiermarke und der Beschriftung Batteriespannungskontrolle . In dieser Schaltstellung misst das Anzeigeinstrument 33 mit selinen Vorwiderständen 34 und 26 die über den Justierwiderstand 19 an dem als monostabilen Multivibrator mit den Transistoren 6 und 16 geschalteten Impulsdehner anliegende Betriebsspannung der Batterie 22. Gleichzeitig liegt die Batteriespannung an dem Spannungswandler mit dem Transistor 46. Dieser erhält in bekannter Weise über den Spannungsteiler 48, 49 eine geringe negative Spannung an der Basis, so dass er anschwingen kann.
Die in Verbindung mit dem Spartransformator 45 erzeugten Impulse haben an der sekundärseitigen Windung eine Spitzenspannung von 500 bis 800 V und sind negativ gerichtet. Sie werden nach Passieren der in positiver Richtung hochsperrenden Siliziumdiode 44 durch die Glimmstabilisatoren 38, 39, 40 auf konstante Amplitude gebracht.
Da der durch das Schaltsegment 41 in den Schalt stellungen 2, 3, 4 den Stabilisatoren parallel geschaltete Lade- und Formkondensator 43 nur etwa 10 bis 30 pF hat, läuft nur ein geringer Gleichspannungsteil an 43 auf, so dass am Zählrohr 1 über den Wahlschalter 37 fast reine Impulsspannung liegt.
Der Impulsoszillator hat eine Impulsfolgefrequenz von etwa 10 kHz, die sich durch den Regler 49 einstellen lässt. Hierbei ist das durch die Systemeigenschaften gegebene Tastverhältnis etwa 1 : 6 bei einer Impulsbreite von etwa 15 usec. Das Zählrohr 1 besitzt ein empfindliches Volumen von etwa 0,5 cm und hat in der Schaltungsanordnung eine Erholungszeit (Recovery-Time) von etwa 80 msec. Bei reinem Gleichspannungsbetrieb liegt die maximal abgebbare Impulszahl in der Schaltungsanordnung bei etwa 12 bis 14 kHz, was einer Dosisleistung von etwa 80 rJh bei Ra-y-Strahlung entspricht. Hierbei ist der angezeigte Messbereich von 10 bis 80 rF auf das letzte Skalenviertel des Anzeigeinstrumentes zusammengedrängt.
Bei der benutzten Impulstastung liegt der Skalenausschlag bei 500 rih, und die Skala ist wesentlich linearer. Die Zählrohrimpulse gelangen über den Widerstand 3 an die Basis des Siliziumtransistors 6. Der Widerstand 4 bewirkt eine zusätzliche Eingangsbedämpfung und Diskriminierung der Eingangsimpulse, so, dass nur Impulse mit einer gewissen Mindesthöhe den monostabilen Multivibrator mit den Teilen 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18 entsperren. Durch das Schaltsegment 9 werden in den einzelnen Messbereichen die die Ausgangsimpulsbreite bestimmenden Kondensatoren 10, 11, 12, 13 zugeschaltet. Durch den Gegenkopplungswiderstand 5 lassen sich die Fertigungstoleranzen, die sich durch die Streuung der Einzelteile, vor allem von 1, 6, 14, 16, ergeben, weitgehend verringern.
Hierdurch und durch Anwendung von Siliziumtransistoren lässt sich über einen grossen Temperaturbereich eine sehr grosse Konstanz und Messgenauigkeit erreichen. Die am Ausgangswiderstand 8 erscheinenden positiven, verstärkten und normierten Impulse passieren die Diode 7 und werden, den einzelnen Bereichen entsprechend, in den durch das Schaltsegment 31 betätigten, aus den Widerständen 27, 28, 29, 30 und den Kondensatoren 24, 25, 32 bestehenden Gliedern integriert. Die an 24, 25, 32 anlaufenden Spannungen werden mit dem Anzeigesystem 34, 33 gemessen und als Mass der am Zählrohr 1 herrschenden Dosisleistung auf den einzelnen, den Messbereichen entsprechenden Skalen kalibriert.
Wird der Detektorwahlschalter 37 entsprechend betätigt, so liegt die Hochspannung über die Steckverbindung 56, 57 und ein nicht gezeichnetes Kabel an dem als Sonde ausgebildeten Detektorsystem 53, 54, 55. Gleichzeitig ist der Ladekondensator 58 von etwa 3 bis 5 nF den Stabilisatoren parallel geschaltet.
Hierdurch erhält das Zählrohr 53, das z. B. ein wirksames Volumen von 6 cm3 besitzt, die an 58 auflaufende Gleichspannung auch in den Schaltstellungen 2, 3, 4. Die von ihm abgegebenen Impulse gelangen über den Widerstand 2 an den Eingang der Formerstufe und werden nach Weiterverarbeitung - wie vorgehend beschrieben - zur Anzeige gebracht.
Zu diesem Zweck trägt jeder Skalenbereichsabschnitt neben einer Skala für das Zählrohr 1 eine andersfarbige und verschieden beziffert Skala für das Zählrohr 53, wobei die nicht benötigte Skala bei Betätigung des Schalters 37 durch eine Abdeckung verdeckt werden kann.
In den Schaltstellungen 5, 6 hat die Stromversorgungseinrichtung eine andere Betriebsweise: In diesem Fall schwingt der Sperrschwinger mit einer durch den Kondensator 51 und den Widerstand 52 bestimmte Festfrequenz von etwa 10 Hz. Die Hochspannungsimpulse laden nun den Kondensator 42, der eine Kapazität von 5 nF hat, auf die durch die Stabilisatoren 38, 39, 40 gegebene Spannung auf.
In diesem Fall arbeitet auch das Zählrohr 1 im Gleichsp annungsbetrieb.
Da in den Bereichen 2, 3, 4 der mittlere Stromverbrauch des Sperrschwingers etwa 14 bis 16 mA aus einer 2,5 V Batterie beträgt, stellt diese Betriebsweise in den Bereichen 5, 6, bei der der mittlere Stromverbrauch 1 mA beträgt, bei gleicher Arbeitsweise der Zählrohre einen wesentlichen Vorteil dar.
Infolge des allerdings geringen Ladungstransportes und des grossen Ladekondensators flackern die Stabilisatoren im Betrieb mit 5 bis 100 Lichtblitzen pro Minute. Da die Stabilisatoren auch zur Beleuchtung der Skala benutzt werden, wird durch Betätigung eines als Drucktaste ausgebildeten Schalters 47 auch in den Bereichen 5 und 6 der Betriebsfall der Bereiche 2, 3, 4 ermöglicht, wodurch eine ausreichende und ruhige Beleuchtung erfolgt. Für besondere Anforderung kann durch die gleiche Drucktaste auch der Schalter 20 betätigt werden, wodurch eine normale Glühlampe mit allerdings höherem Stromverbrauch eingeschaltet wird.
Durch zweckmässige Bemessung der einzelnen bereichsbestimmenden Bauelemente konnten mit einer vorstehend beschriebenen Anordnung folgende Ergebnisse erzielt werden: Messbereich Messbereich Messbereich Gesamtstrom Schaltstellung Zählrobr 1 Zählrohr 53 verbrauch
3 1 bis 600 r/h 10 bis 500 mr/h etwa 15 mA
4 0,1 bis 6 rih 1 bis 50 mr/h etwa 15 mA
5 1 bis 100 mr/h 0,1 bis 5 mr/h etwa 2 mA
6 0,1 bis 10 mr/h 5 bis 500 ctr/h etwa 2 mA
Wurde in einer ähnlich bemessenen Schaltung als samen Volumen von 6 cm benutzt, so ergaben sich eingebautes Zählrohr ein Zählrohr mit einem wirk- folgende Werte:
Schaltstellung Messbereich Stromverbrauch
3 0,5 bis 100 rih 12 mA
4 10 bis 1000 mr/h 12 mA
5 1 bis 50 mr/h 2 mA
6 5 bis 500 Durch 2 mA
Da es sich bei den benutzten Zählrohren um dieselbe Type handelt, wie sie in mehreren handels üblichen Geräten mit einem oder zwei gleichzeitig eingebauten Zählrohren zur Erreichung der empfind1i- chen Messbereiche eingebaut sind, bei diesen aber nur 0,5 bis 500 mr/h gemessen werden können, liegt der Vorteil der beschriebenen Anordnung auf der Hand; wird doch, abgesehen von anderen wesentlichen Vorteilen, wie sie durch die eindeutige Ablesung, einfache Bedienung, hohe Genauigkeit bewirkt werden, der mit einem Zählrohr oder ähnlichem Detektor erfassbare Messbereich um mehr als 4 Zehnerpotenzen vergrössert.
Darüber hinaus lässt sich die an Hand der Fig. 1, 2, 3 beschriebene Anordnung auf kleinstem Raum kompakt und funktionssicher unterbringen: Ein ausgeführtes Taschengerät hatte bei den Abmessungen von etwa 14X9,5X4,3 cm ein Gewicht im betriebsbereiten Zustand von etwa 500 g.